Genetic diversity and population structure of purple rice (Oryza sativa L.) landraces

ความหลากหลายทางพันธุกรรมและโครงสร้างประชากรของข้าวก่ำพันธุ์พื้นเมืองในภาคเหนือของประเทศไทย

Name: Suksan Fongfon

ThaSH: Rice -- Varieties -- Thailand, Northern

ThaSH: Anthocyanins

Abstract: Purple rice or "Khao Kam" is a valuable genetic resource for its cultural functions and usages by many groups of rice consumers. It has also been found beneficial to rice consumers' health, in preventing various important chronic diseases, with industrial and market potentials as an alternative economic crop. In northern Thailand, a region rich in genetic diversity of rice, on-farm local rice varieties or landraces continue to provide an essential farming input, while helping to preserve an important plant genetic resource for future rice breeding. In order to provide an understanding useful in the management of a sector of this local rice germplasm, this thesis examined the diversity of 37 accessions of purple rice landraces originally grown by farmers as upland and wetland rice in the highlands and lowlands of Northern Thailand (elevations above and below 500 m, respectively) using 19 morphological and agronomic characteristics, 3 organelle Indel and 16 nuclear SSRs (simple sequence repeats) markers and four grain quality features, namely anthocyanin, gamma oryzanol, iron (Fe) and zinc (Zn) in brown rice. Responses to nitrogen (N) and Zn fertilizer in the brown rice anthocyanin and Zn, six different purple rice genotypes were also investigated. The 37 purple rice landrace accessions were grown together with five purple rice check varieties namely Kam Doi Saket (KDK), Kam Chao Morchor 107 (KJ-CMU107),Kam Hom Morchor (KH-CMU), Hom Nin (HN) and Riceberry (RB) and four non- pigmented rice varieties namely Khao Dawk Mali 105 (KDML105), Pathum Thani 1 (PTT1), San Pa Tong 1 (SPT1) and RD 6. The rice seedlings were transplanted into plastic pots at ten plants per pot or replication. The experiment was arranged in a completely randomized design (CRD) with three replications under the waterlogged condition as wetland rice on July 3, 2014, under the lowlands at Chiang Mai University. Morphological characterization found 65% of the purple rice accessions to be green in all plant parts, with no purple color except in the pericarp, only 8% were purple in all plant parts. More than 80% of the accessions were classified as large grain shape, with 95% having glutinous endosperm. The agronomic evaluation showed the accession to range from 106-190 cm, with an average of 135 cm, days to heading ranged from 86- 121 days (during September 27 to November 1, 2014), averaging 101 days, and in the pot culture each plant produced 3-4 tillers, 2-4 panicles, and 83-128 grain per panicle and grain yield of 63-106 g per pot.The InDel cytoplasm markers identified most of the purple rice originally grown as upland rice in both the lowlands and highlands as tropical japonica, while those from the wetland cultivation in the lowlands almost all belonged to the indica group. Diversity analysis with the 16 SSRs markers revealed a high degree of genetic differentiation between the upland and wetland ecotypes, but not between those from the lowlands and highlands. The molecular analyses results are in agreement with the major genetic differentiation between indica and japonica rice, and also revealed adaptation to the lowlands' tropical environment of the tropical japonica, which is endemic to the tropical highlands. Grain quality characteristics, namely anthocyanin gamma oryzanol, Fe and Zn content, in the 37 purple rice landraces were found to be mostly between the check varieties. Among the landraces across different altitudes and ecotypes, the widest range of anthocyanin concentration, including the accession with the highest value of 16.0 mg/100g, was found among the upland ecotype from the highlands. The widest range for gamma oryzanol concentration, and the maximum value of 111.4 mg/100 g, on the other hand, was found among the wetland ecotype from the lowlands. In addition, thewetland ecotype from the lowlands also showed a wider range of grain Zn concentration than the upland ecotype. Although none of the landraces had higher Fe concentration than one of the improved purple cultivars, the average Fe concentrations by ecotype and altitude at 12-13 mg Fe/kg were significantly higher than the 7 mg Fe/kg average of the improved colorless varieties. The examination of how nitrogen (N) and Zn fertilizers affected grain yield and grain N, Zn, and anthocyanin concentration among purple rice genotypes. Six purple rice genotypes (PIZ, KAK, KS, KH-CMU, KDK, and HN) were grown under two levels of N, the optimum N60 (60 kg/ha) and high N180 (180 kg/ha) rates, along with three Zn application methods (no Zn application (Zn0), soil Zn application (ZnS ; 50 kg ZnSO4/ha), and foliar Zn spray (ZnF ; 0.5% ZnSO4 at the rate of 900 L/ha three times at heading, flowering, and early milk stages). Grain yield of the five purple rice landraces increased by 21-40% when increasing N from N60 to N180, although no response was found with HN. The higher N rate increased grain protein concentration by 10-50% in all genotypes, while anthocyanin concentration was increased by 100-110% in KAK and KS, and grain Zn was increased in KS. Applying ZnS increased grain yield by 16- 94% but decreased anthocyanin and N concentrations compared to the control Zn0. Applying ZnF effectively increased grain Zn concentration by 40-140% in the genotypes without adversely impacting grain anthocyanin or N concentration.This study has shown that purple rice landrace from Northern Thailand to be genetically diverse, with accessions belonging to both the indica and tropical japonica group of species, and revealed that tropical japonica genotypes that are endemic to the tropical highlands can be adapted to the tropical environment and produced high yield in the lowlands. Exceptional anthocyanin and gamma oryzanol contents found among the purple rice landraces confirmed these as a valuable genetic resource that is readily available to farmers as well as a source of traits that may be useful to future rice breeding. Grain quality of purple rice was found to respond to fertilizer application in the same way as ordinary, non-pigmented rice, with increases in grain Zn with foliar Zn treatment and grain protein with a higher N rate. In addition, this thesis has also shownthat grain anthocyanin concentration was also raised with higher N in some of the local purple rice varieties belonging to the tropical japonica group.

Abstract: ข้าวก่ำนับว่าเป็นทรัพยากรที่มีคุณค่าเนื่องจากเป็นมรดกทางวัฒนธรรมที่สำคัญ อีกทั้งยังมี คุณภาพทางโภชนาการที่มีคุณประโยชน์ต่อร่างกายของผู้บริโภคในการป้องกันการเกิดโรคชนิดเรื้อรัง ที่สำคัญต่าง ๆ อีกทั้งยังมีศักยกภาพในทางอุตสาหกรรมและทางธุรกิจในการเป็นพืชเศรษกิจทางเลือก ภาคเหนือตอนบนของประเทศไทยเป็นภูมิภาคหนึ่งที่ยังมีความหลากหลายทางพันธุกรรมของข้าว พื้นเมืองที่มีการเก็บรักษาและการใช้ประโยชน์อย่างต่อเนื่อง โดยเกษตรกร บอกจากนี้ข้าวพันธุ์เมืองยัง เป็นทรัพยากรทางพันธุกรรมที่อาจเป็นประโยชน์ต่อการปรับปรุงพันธุ์ข้าวในอนากต ดังนั้นเพื่อให้ การใช้ประโยชน์และจัดการแหล่งพันธุกรรมอันทรงคุณค่านี้ได้ดำเนินไปอย่างมีประสิทธิภาพ วิทยานิพนธ์นี้จึงได้ประเมินความหลากหลายทางพันธุกรรมของข้าวก่ำ จำนวน 37 ตัวอย่าง ซึ่งเก็บ รวบรวมจากพื้นที่ปลูกข้าวไร่และข้าวนาในภาคเหนือ ด้วยลักษณะสัณฐานและลักษณะทางพืชไร่ เครื่องหมายโมเลกุลดีเอ็นเอ InDel และ SSR (simple sequence repeats) ลักษณะคุณภาพเมล็ด ตลอดจนการตอบสนองของพันธุ์ข้าวต่อระดับของปุ๊ยไนโตรเจนและกรรมวิธีในการใส่ปุ้ยสังกะสีที่ แตกต่างกันในด้านของผลผลิตและความเข้มของแอนโทไซยานินและธาตุสังกะสีในเมล็ดข้าว การประเมินลักษณะสัณฐานของพันธุ์ข้าวกั๋พื้นเมือง 37 ตัวอย่าง ร่วมกับพันธุ์เปรียบเทียบที่ มีเยื่อหุ้มสีม่วงดำ 5 พันธุ์ ได้แก่ ก่ำดอยสะเก็ด (KDK) ก่ำเจ้า มช 107 (KJ-CMU107) ก่ำหอม มช. (KH- CMU) หอมนิล (HN) และไรซ์เบอร์รี่ (RB) และข้าวพันธุ์ที่มีเยื่อหุ้มเมล็ดสีขาว 4 พันธุ์ ได้แก่ ขาวดอก มะลิ 105 (KDML 105) ปทุมธานี 1 (PTT1) สั่นป่าตอง 1 (SPT1) และ กข 6 (RD6) ด้วยลักษณะ สัณฐานและพืชไร่ จำนวน 19 ลักษณะ โดยปลูกข้าวในกระถางพลาสติก จำนวน 10 ต้นต่อกระถางเป็นตัวแทนหนึ่งซ้ำ วางแผนการทดลองแบบสุ่มสมบูรณ์ จำนวน 3 ซ้ำ ปลูกข้าวภายใต้สภาพน้ำขัง ใน พื้นที่ลุ่ม มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ วันที่ 3 เดือน กรกฎาคม พ.ศ. 2557 พบว่าตัวอย่างพันธุ์ข้าวก่ำพื้นเมือง ร้อยละ 65 ปรากฎสีเขียวทุกส่วนของต้นข้าว ยกเว้นเยื่อหุ้มเมล็ดที่เป็นสีม่วง ส่วนที่มีสีม่วงในทุกๆ ส่วนของต้น มีเพียงร้อยละ 8 นอกจากนี้ร้อยละ 80 ของตัวอย่างมีรูปร่างเมล็ดใหญ่ และร้อยละ 95 มี แป้งเป็นข้าวเหนียว นอกจากนี้พบความแตกต่างระหว่างตัวอย่างในลักษณะทางพืชไร่ โดยความสูง ของต้นข้าวมีค่าตั้งแต่ 106-190 ซม. มีค่าเฉลี่ย 135 ซม. ออกดอกในเวลา 86-121 วัน (ระหว่างวันที่ 27 กันยายน - 1 พฤศจิกายน 2557 มีค่าเฉลี่ยเท่ากับ 101 วัน มีลักษณะการแตกกอและสร้างรวงคล้ายกัน ที่ 3-4 หน่อต่อกอ และ 2-4 รวงต่อต้น มีเมล็ดดี 83-128 เมล็ดต่อรวงให้ผลผลิตต่อกระถางระหว่าง 63- 106 กรัม ผลการวิเคราะห์ เครื่องหมายโมเลกุลของดีเอ็นเอ ชนิด InDel ชี้ว่า ตัวอย่างที่มาจากการปลูก เป็นข้าวไร่ทั้งบนพื้นที่สูงและพื้นที่ลุ่ม เป็นกลุ่มพันธุ์ tropical japonica ส่วนที่มาจากการปลูกเป็นข้าว นาเกือบทั้งหมดเป็นกลุ่มพัน ธุ์ ndica ผลการวิเคราะห์ความหลากหลายทางพันธุกรรม ด้วย เครื่องหมายโมเลกุล SSR 16 ตำแหน่ง แสดงความแตกต่างทางพันธุกรรมค่อนข้างสูงระหว่างข้าวไร่ และข้าวนาแต่น้อยระหว่างข้าวจากที่พื้นที่ลุ่มและพื้นที่สูง ซึ่งสอดคล้องกับความแตกต่างในทาง พันธุกรรมของกลุ่มพันธุ์ และชี้ถึงความสามารถปรับตัวของข้าว tropical japonica ซึ่งมีถิ่นที่อยู่ใน พื้นที่สูงให้เข้ากับสภาพแวดล้อมของภูมิประเทศเขตร้อนในพื้นที่ลุ่มการประเมินคุณลักษณะคุณภาพเมล็ดข้าว ในปริมาณแอนโทไซยานิน แกมมาออไรซานอล ธาตุเหล็กและธาตุสังกะสีของข้าวก่ำพื้นเมืองทั้ง 37 สายพันธุ์ พบว่าส่วนใหญ่มีค่าอยู่ระหว่างพันธุ์ เปรียบเทียบ หากพิจารณาตามระดับความสูงและระบบนิเวศน์ที่แตกต่างกัน ความเข้มข้นของแอนโท ไซยาบินที่กว้างที่สุดรวมถึงตัวอย่างที่มีค่ามากที่สุดคือ 16.0 มก./100 กรัม ถูกพบในกลุ่มข้าวไร่จาก พื้นที่สูง ส่วนช่วงที่กว้างที่สุดสำหรับความเข้มข้นของแกมมาโอไรซานอล และตัวอย่างที่มีค่าสูงสุด 111.4 มก/100 กรัมพบได้ในข้าวนาบนพื้นที่ราบลุ่ม นอกจากนี้ข้าวก่ำที่เก็บมาจากพื้นที่ข้าวนาบน พื้นที่อุ่มยังแสดงให้เห็นช่วงความเข้มข้นของธาตุสังกะสีมากกว่ากลุ่มของข้าวไร่ แม้ว่าจะไม่มีตัวอย่าง ข้าวก่ำพื้นเมืองที่มีความเข้มข้นของธาตุเหล็กที่มีค่าสูงกว่าข้าวก่ำพันธุ์ปรับปรุง แต่ความเข้มข้นของ ธาตุเหล็กเฉลี่ยตามระบบนิเวศการเกษตรและระดับความสูงที่ 12-13 มก. Fe/กก. นั้นสูงกว่าค่าเฉลี่ย 7 มก. Fe/กก. ของข้าวขาวพันธุ์ปรับปรุง การประเมินการตอบสนองของพัน ธุ์ข้าวก่ 6 พันธุ์ ได้แก่ ได้แก่ ปิอิซู (PIZ) ก่ำอาข่า (KAK) ข้าวแสง (KS) ก่ำหอม มช (KH-CMU) ก่ำดอยสะเก็ด (KDK) และหอมนิล (HN) ในลักษณะของผลผลิตและความเข้มของแอนโทไซยานิน ธาตุสังกะสีและในโตรเจนภายในแมล็ดข้าวกล้อง โดย ปลูกภายใต้สภาวะน้ำขัง ระดับปุ้ยไนโตรเจนสองระดับ ได้แก่ระดับที่เหมาะสม (N60 ; 60 kg/ha) และ ระดับสูง (N1 803 180 kgha) การจัดการปุ้ยสังกะสี 3 วิธี ได้แก่ ชุดควบคุมไม่ใส่ปุ๋ยสังกะสี (Zn0) ใส่ ปุ๊ยสังกะสีทางดิน (ZnS ; 50 kg ZnsO,/ha) และพ่นสังกะสีทางใบ (Z1F ; ความเข้นข้นของ ZnSO, ที่ 0.5% อัตรา 900 L/ha พ่นสามครั้งที่ระยะแทงช่อดอก ออกดอก และระยะน้ำนม) ผลการศึกษาพบว่า เมื่อเพิ่มปียใน โตรเจนจาก N60 เป็น N1 80 ผลผลิตข้าวของกั๋ทั้ง 5 สายพันธุ์เพิ่มขึ้น 21-40% ความ เข้มข้นไนโตรเจนในเมล็ดข้าวเพิ่มขึ้น 10-50% ในข้าวทุกพันธุ์ ในขณะที่ความเข้มข้นของแอนโทไซ ยานินเพิ่มขึ้น 100-1 10% เฉพาะในพันธุ์ KAK และ KS และความข้มข้นของธาตุสังกะสีในเมล็ด เพิ่มขึ้นในพันธุ์ KS การใส่ปุ้ยสังกะสีทางดิน ZnS ทำให้ผลผลิตเพิ่มขึ้น แต่ความเข้มข้นของแอนโท ไซยานินและธาตุไน โตรเจนลดลงเมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุม 2:10 การพ่นสังกะสีทางใบ ZnF เพิ่มความ เข้มข้นของธาตุสังกะสีในเมล็ดข้าวได้อย่างมีประสิทธิภาพ 40-140% ในข้าวทุกพันธุ์ โดยไม่ได้ส่งผล ผลกระทบในทางลบต่อปริมาณแอนโทไซยานินและปริมาณในโตรเจนในเมล็ดข้าวในการศึกษานี้ชี้ให้เห็นว่าพันธุ์ข้าวก่ำพื้นเมืองในภาคเหนือ มีความหลากหลายทางพันธุกรรม มีทั้งพันธุ์ที่อยู่ในกลุ่มพันธุ์ indica และ ropical japonica และพบพันธุ์ข้าวพื้นเมือง topical japonica ซึ่งมีถิ่นที่อยู่บนพื้นที่สูงสามารถปรับตัวและ ให้ผลผลิตสูงในสภาพแวดล้อมภูมิประเทศเขตร้อนบน พื้นที่อุ่ม การพบตัวอย่างพันธุ์ข้าวก่ำที่มีสารแอนโทไซยานินและแกมมาโอรีซานอดสูงแสดงให้เห็นว่า พันธุ์ข้าวก่ำพื้นเมืองของเกษตรกรเป็นทรัพยากรพันธุกรรมที่ยังได้ใช้ประโยชน์ในปัจจุบัน และเป็น มรดกทางวัฒนธรรมที่สำคัญซึ่งมีส่วนทำให้เกิดความหลากหลายทางพันธุกรรมของข้าวพื้นเมืองใน ท้องถิ่น คุณภาพเมล็ดข้าวก่ำตอบสนองต่อการใส่ปุ๊ยในทำนองเดียวกับข้าวขาวธรรมดาทั่วไป ด้วยข้าว กล้องที่ปริมาณสังกะสีในเพิ่มขึ้นเมื่อได้รับปุ๊ยสังกะสีทางใบ และโปรตีนที่เพิ่มขึ้นเมื่อได้รับปุ๊ย ไนโตรเจนเพิ่มขึ้น แต่วิทยานิพนธ์นี้ยังได้พบว่าการให้ปุ้ยในโตรเจนเพิ่มขึ้น ทำให้แอนโทไซยานินใน เมล็ดมีปริมาณเพิ่มขึ้น ในพันธุ์ข้าวก่ำพื้นเมืองบางพันธุ์ที่อยู่ในกลุ่มพันธุ์ tropical japonica

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Sansanee Jamjod

Role: Advisor

Name: Tonapha Pusadee

Role: Advisor

Name: Chanakan Thebault Prom-u-thai

Role: Advisor

Created: 2566

Modified: 2023-10-05

Issued: 2023-10-05

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Agronomy

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	570851006.pdf	13.89 MB

ใช้เวลา

0.040492 วินาที